Как известно крупномасштабная структура Вселенной напоминает мыльную пену, в которой сверхскопления галактик концентрируются вокруг огромных пустот (пузырей или войдов).

https://za-neptunie.livejournal.com/336931.html?utm_source=n...

Ширина каждого войда равна примерно 150 миллионов световых лет при общем радиусе наблюдаемой Вселенной как минимум 14 миллиардов световых лет (по оценкам от Большого взрыва по настоящее время прошло примерно 14 миллиардов земных лет). В тоже время теоретические модели считают, что истинный размер Вселенной может быть в несколько раз больше, чем её видимый размер (до примерно сотни миллиардов световых лет). Это связано с процессом расширения Вселенной с течением времени. Так или иначе, только видимая Вселенная, вероятно, состоит из нескольких миллионов войдов и сверхскоплений галактик:

Наиболее хорошо исследованы ближайшие войды. Границы войдов хорошо видны в форме т.н. “великих стен”:

Истинные расстояния до галактик были найдены только в последние 100 лет. Довольно скоро выяснилось, что более далекие галактики обладают преимущественно красным смещением (смещение в спектре вправо), а не синим смещением (в спектре смещение влево). С начала 70х годов 20 века многообъектные спектрографы в США (Гарвардская обсерватория и проект SDSS), Австралии и Европе (обсерватория ESO) измерили красное смещение многих тысяч галактик с удалением в миллиарды световых лет.

Тем не менее до того как наблюдения переменных звезд (цефеид) в начале 20 века позволили впервые измерить расстояния до близких галактик (Магеллановы Облака и М31), астрономы 19 века предполагали, что многие туманности являются далекими скоплениями звезд. Первооткрыватель Урана, Уильям Гершель подробно описал многие тысячи туманностей северного неба. Его сын, Джон Гершель охватил подобными наблюдениями южное небо. Итоговая работа, опубликованная в 1864 году, содержала результаты наблюдений примерно 5 тысяч объектов, из которых до семейства Гершелей в научной литературе было описано лишь 450 туманностей. Большинство туманностей из этого каталога можно было разделить на две категории: те которые лежали на галактической плоскости и вне её. Примерно треть внегалактических туманностей концентрировалась лишь на одной восьмой части неба вблизи созвездия Девы. Отсюда следовало разумное предположение, что наша звездная система является частью огромного скопления других систем, которые обращаются вокруг крупнейшего скопления.

В первой половине 20 века спектроскопия галактик развилась крайне медленно, в связи с относительно небольшим размером телескопов того времени. По этой причине до конца 20 века были измерены лучевые скорости (расстояния) до небольшого количества галактик. С другой стороны фотографический обзор Паломарской обсерватории в 50х годах 20 века позволил обнаружить тысячи скоплений галактик. Затем в 1977 году в Гарвардской обсерватории на 1.2-метровом телескопе в Аризоне стартовал систематический обзор по измерению красного смещения всех ярких галактик северного неба. В начале к 1982 году были измерены красные смещения 2400 галактик до 14,5 звездной величины (в фильтре B), а затем это исследование было расширено в 1985-1995 годах до 17 тысяч квадратных градусов и 15,5 звездных величин (18 тысяч галактик). В 1987-1997 годах был проведен похожий обзор на южном небе (Southern Sky Redshift Survey или SSRS2). В ходе него были получены спектры 5400 галактик на площади неба в 5500 квадратных градусов, которые ярче 15.5 звездных величин (в фильтре B). Для этого обзора использовались телескопы обсерваторий CTIO и ESO, а также обсерватории в ЮАР (SAAO).

В итоге к началу 21 века были измерены примерные расстояния до ярких галактик на почти половине неба (не стоит забывать, что значительная часть близких галактик скрыта спиральными рукавами нашей галактики).

В 1998 году заработал проект SDSS, который позволял одновременно получать спектры нескольких тысяч объектов с помощью 2.5-метрового телескопа в США. Всего за несколько лет работы с помощью проекта SDSS были измерены красные смещения почти миллиона галактик до 18 звездной величины (в фильтре r) на участке северного неба площадью в 8 тысяч квадратных градусов.

Одновременно в этот период были проведены подобные обзоры в Австралии.

Австралийские астрономы обладают двумя крупными телескопами: 1.2-метровым с 6-градусным полем зрения и 3.9-метровым с 2-градусным полем зрения. В связи с этим на этих телескопах были проведены два обзора: в 1997-2000 годах 2dFGRS (2dF Galaxy Redshift Survey) и в 2001-2009 годах 6dFGS (6dF Galaxy Survey). Первый обзор измерил 220 тысяч красных смещений на площади в 1500 квадратных градусов у галактик ярче 19.5 звездной величины (в фильтре J), а второй 125 тысяч красных смещений на площади в 17 тысяч квадратных градусов у галактик ярче 13 звездной величины (в фильтре J).

Анализ данных вышеперечисленных обзоров показал крупномасштабную структуру Вселенной примерно в радиусе двух миллиардов световых лет:

В этом объеме исследователи отметили две крупных структуры, названных “Великими стенами CfA и SDSS”:

Для сравнения расстояние до центра сверхскопления Девы составляет примерно 40 миллионов световых лет:

Т.н. “Великие стены” связаны с крупными сверхскоплениями галактик. Центр “Великой стены CfA” ассоциируется со сверхскоплением галактик в созвездие Волосы Вероники (с латинского Coma Berenices). Кроме того считается, что сверхскопление Девы с нашей галактикой находится вблизи края огромной пустоты, часто называемой “Местный войд”:

С другой стороны структура пустот в районе ближайших галактик является более сложной.

Так исследования российских астрономов говорят о том, что в радиусе 40 мегапарсек находится 89 пустот радиусом от 12 до 24 мегапарсек, в которых отсутствуют крупные галактики. Исследования их американских коллег предполагают существование в радиусе 1 миллиарда световых лет от Млечного Пути области с пониженной плотностью галактик.

Существование такой области может объяснить разные оценки постоянной Хаббла, получаемых из прямых оценок расстояния до близких галактик и обзоров реликтового излучения:

Очевидно, чтобы ответить на этот вопрос потребуется получить многие миллионы спектров галактик. И в настоящее время астрономы продолжают решать эту задачу.

Третья и четвертая фаза проекта SDSS смогла измерить красные смещения до нескольких миллионов галактик, удаленных до 7 миллиардов световых лет. В дополнение были измерены расстояния до нескольких тысяч самых удаленных квазаров:

Внегалактическая спектроскопия в рамках четвертой фазы проекта SDSS осуществляется в основном в рамках программы eBOSS (Extended Baryon Oscillation Spectroscopic Survey):

Примечание. Название этой программы связано с т.н. гипотетическими барионными осцилляциями – акустическими волнами, которые появились после рождения Вселенной.

Их регистрация является одной из главных целей российско-германской миссии “Спектр-РГ” по многократному обзору всего неба в рентгеновских лучах.

Наблюдения австралийского обзора подтверждают ячеистую структуру сверхскоплений на удалениях многие миллиарды лет:

К сожалению, вышеперечисленные обзоры были проведены на ограниченных участках неба. Чтобы обойти эту проблему был проведен инфракрасный обзор 125 тысяч ярчайших галактик на всём небе (до 12,2 звездных величин в фильтре Ks). Этот обзор проведен в рамках проекта 2MASS (Two-Micron All-Sky Survey) на 1.5-метровых телескопах в обсерватории FLWO в Аризоне и в обсерватории CTIO в Чили. Данный обзор (2MRS) стал крупнейшим из всех проведенных ранее:

Проведенный обзор 2MRS наглядно показал ближайшие сверхскопления галактик:

Как видно из карты выше, обзор 2MRS показывает распределение ярких и близких сверхскоплений галактик примерно до z=0.2 или до около 2 миллиардов световых лет. Более глубокие обзоры охватывают пока лишь небольшие участки неба. Кроме вышеназванных обзоров SDSS и австралийских обзоров можно назвать ещё три обзора, в ходе которых были измерены расстояния до 100 тысяч и более галактик:

GAMA (Galaxy And Mass Assembly) - обзор 300 тысяч южных галактик ярче 20 звездной величины (в фильтре r) на площади неба в 300 квадратных градусов, выполнен на 3.9-метровом телескопе AAT в 2008-2014 годах (210 наблюдательных ночей).

VIPERS (VIMOS Public Extragalactic Redshift Survey) - обзор 100 тысяч галактик ярче 22.5 звездной величины (в фильтре I) на участке неба площадью в 24 квадратных градусов, который проведен на 8-метровом телескопе VLT в 2008-2016 годах (55 наблюдательных ночей).

WiggleZ - обзор 25000 южных галактик ярче 20-23 звездной величины в ИК- и УФ-фильтрах на площади неба в 1000 квадратных градусов, который проведен на 3.9-метровом телескопе ААТ в 2001-2009 годах.

Распределение галактик по данным обзора VIPERS до z=1 (8 миллиардов световых лет)

Особый интерес вызывает спектроскопия галактик на глубоких полях космического телескопа Хаббл, которая позволяет исследовать самые тусклые и далекие галактики из известных на сегодняшний день. В частности, можно привести пример распределения около трех тысяч галактик с красным смещением между 2 и 6 на поле COSMOS (Cosmic Evolution Survey):

Интересно отметить, что плотность объектов на вышеприведенной схеме значительно меняется в зависимости от величины красного смещения.

Поле COSMOS известно как самый крупный космологический обзор космического телескопа Хаббл. В ходе него он сфотографировал участок неба площадью в 2 квадратных градусов с 2 миллионами галактик ярче 28 звездной величины (в фильтре I) с возрастом, покрывающий диапазон до Большого взрыва на 75%.

С другой стороны обзор HUDS (Hubble Ultra Deep Survey) примечателен как одно из самых глубоких полей телескопа Хаббл. На участке неба площадью в 5 квадратных угловых минут видны примерно 8 тысяч галактик ярче 31 звездной величины. Этот обзор был проведен в 2003-2004 годах, в ходе него космический телескоп наблюдал один и тот же участок неба 11 суток. Вскоре тусклые галактики на поле стали целью подробного изучения. Спектрограф MUSE на 8-метровом телескопе VLT за 10 часов наблюдений измерил красные смещения примерно 1.5 тысяч галактик до 28 звездной величины. Как в случае поля COSMOS, MUSE Hubble Ultra Deep Field Survey показал различие в плотностях распределения галактик с различным красным смещением:

Кроме того интересно отметить, что диаграмма зависимости галактик HUDS от красного смещения и видимого блеска показывает почти полное отсутствие тусклых близких галактик.

Примечание. Интересным фактом является минимальное количество негалактических объектов на глубоких полях Хаббла. Это связано с тем, что эти поля специально подбирались так, чтобы звезды нашей галактики оказывали минимальные помехи, и тем самым это позволяло обнаружить как можно более далекие и тусклые галактики. На поле HUDF найдено только 46 точечных объектов до 29.5 звездной величины. Спектры 28 источников ярче 27 звездной величины показали, что из них 18 являются красными карликами, 2 кандидатами в коричневые карлики спектрального класса L, 4 белыми карликами и 2 квазарами. Так как снимки поля получили на интервале в 73 суток, то это позволило получить верхний предел на собственное движение всех зарегистрированных объектов 27 угловых микросекунд в год.

Текущий рекорд SDSS по числу полученных спектров галактик в три миллиона не останется в будущем в одиночестве. Следом появились ещё более масштабные проекты по массовой спектроскопии галактик: 4-метровый телескоп LAMOST в Китае, программа TAIPAN на 1.2-метровом телескопе в Австралии, новый спектрограф DESI для 4-метрового телескопа в аризонской обсерватории Китт Пик. Цели последнего проекта предполагают спектроскопию 30 миллионов галактик на одной трети всего неба за первые 5 лет (большинство из них будут ярче 20 звездной величины). Сам проект SDSS этим летом начнет новую (пятую) 5-летнюю фазу по спектроскопии галактик. Более того, в текущем десятилетии ожидается создание нескольких новых специализированных телескопов для массовой спектроскопии с диаметрами зеркал в 8-11 метров:

Теоретически эти телескопы смогут получить спектры нескольких десятков миллионов галактик. Планируется в 2020-ые годы и масштабный космический проект в этой области – обзорный инфракрасный телескоп SHREREx, который измерит красные смещения более 100 миллионов галактик. Конечно, это только верхушка айсберга, так как только число крупных наблюдаемых галактик в нашей Вселенной превышает 100 миллиардов, а обзорный телескоп LSST имени Веры Рубин получит цветную фотометрию примерно 20 миллиардов из этих галактик. К сожалению, во многие перечисленные проекты могут быть внесены коррективы в связи с начавшимся мировым экономическим кризисом.

Вышеприведенные данные раскрывают один из основных методов картографирования Вселенной – через измерение красных смещений галактик путем получения их спектров.

Однако он не является единственным. Об этом будет рассказано в следующей части. Всё многообразие методов должно позволить определить насколько является однородной наша Вселенная на больших масштабах: действительно ли войды (пустоты) и сверхскопления галактик сильно различаются в размерах в разных частях Вселенной или же наша Вселенная состоит из одинаковых однородных пузырей. В то же время темное ночное небо со всей очевидностью говорит том, что в наблюдаемой Вселенной преобладает пустота (фотометрический парадокс Ольберса).